JP2009284769A - マイクロ基板 - Google Patents

Abstract

【課題】
試料を処理するにあたり、高精度に処理できる基板を提供すること。
【解決手段】
試料を導入する試料導入部と、前記試料を収容する複数の収容部と、それぞれの前記収容部に接続された複数の排気部と、を少なくとも備え、少なくとも二以上の前記排気部は、一端が開放された一の開放路に連通された基板とすること。
【選択図】図１

Description

本発明は基板に関する。より詳しくは、試料を高精度に処理する基板に関する。

近年、微細加工技術を駆使し、化学反応、合成、精製、分析等の各種操作を微細領域で行う技術（μＴＡＳ：Ｍｉｃｒｏ Ｔｏｔａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍｓ）が、幅広い分野に応用されている。例えば、生体物質や自然環境における物質等の微量化学分析等に用いられている。

μＴＡＳを用いた処理は、従来の処理と比較して微量の試料で操作を行うことができる、短時間かつ高感度処理が可能である、様々な場所で操作を行うことができるなどの利点を有するため、疾病診断、薬物等の化合物スクリーニング、法医学、遺伝情報等の網羅的解析、生体物質の機能解析、生体内反応の解析、食品分や、農業分野、光学分野等の幅広い分野で既に実用化されている。

前記微細領域で行われる化学的な処理には、複数の物質を反応させる処理や、対象物質を加熱・冷却する処理などが挙げられる。例えば、対象物質の化学反応を促進する目的で加熱処理を行ったり、対象物質を保存する目的で冷却処理を行ったりすることがある。μＴＡＳ技術においても、前記微細領域中に導入された対象物質の温度制御を行うための様々な方法が検討されている。

ところで、前記μＴＡＳの展開が期待される分野の一例として、核酸増幅技術が挙げられる。現在、広く一般に用いられている核酸増幅反応であるポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ：Ｐｏｌｙｍｅｒａｓｅ Ｃｈａｉｎ Ｒｅａｃｔｉｏｎ）は、ＤＮＡの「変性」及び「アニーリング」の特性を利用して、温度制御操作によって核酸を増幅する技術であり、分子生物学上極めて重要な技術である。

ＰＣＲ法では、（１）核酸の熱変性（約９４℃）、（２）プライマーとのアニーリング（約６０℃）、（３）ポリメラーゼ伸長反応（約６０〜７２℃）、からなる温度制御の伴う核酸増幅サイクルを連続的に行うことで、微量な核酸を数十万倍にも増幅させることができる。

さらに、この核酸増幅サイクルで得られるＰＣＲ増幅産物をリアルタイムでモニタリングすることにより、微量核酸の定量分析を行うことができる（リアルタイムＰＣＲ法）。

従来のＰＣＲ装置は、数十μＬの容量のウェルが多数配設されたウェルプレートをペルチエ素子で加熱・冷却することにより核酸の増幅反応を進行させるものであり、比較的大型な装置である上に、多量の試料を必要とするものである。当該反応を、基板等に設けられた微細領域で行うことにより、装置の小型化が可能となり、消費電力や試料も大幅に削減することができる。

特許文献１には、射出成形により成型されたシリコーン樹脂を主体とする成型品を用いたことを特徴とする化学マイクロデバイスが開示されている。

特開２００４−２１９１９９号公報。

しかしながら、上記のμＴＡＳでは以下のような問題があった。

第一に、試料を圧送して各微細領域に導入した際、各微細領域中の空気によって試料が導入されない、又は試料が導入されにくい場合があった。その結果、微細領域ごとに導入される試料の量が均一とならず、各種反応や分析の精度が低下するという問題があった。
また、例えば前記ＰＣＲのように試料の加熱処理を行う場合や、微細領域中で気体の発生を伴う反応を行う場合において、試料が導入された微細領域中に気泡が残存すると、残存した気泡が膨張したり、ウェル内で気泡が移動したりすることにより、各種反応や分析の精度が低下するという問題があった。

そこで、本発明は、試料を処理するにあたり、高精度に処理できる基板を提供することを主目的とする。

上記技術的課題を解決するために、本発明は、試料を導入する試料導入部と、前記試料を収容する複数の収容部と、夫々の前記収容部に接続された複数の排気部と、を少なくとも備え、少なくとも二以上の前記排気部は、一端が開放された一の開放路に連通された基板を提供する。夫々の前記収容部に排気部を接続することにより、前記試料導入部から前記収容部に試料が導入される際に、収容部中に存在する空気が前記排気部から排出され、前記収容部にスムーズに試料が充填される。さらに、少なくとも二以上の前記排気部を、一端が開放された一の開放路に連通することにより、試料の蒸発による損失を抑制することができる。
本発明において、前記開放路は、前記収容部より鉛直方向上部に設けるのが好適である。前記開放路を前記収容部より鉛直方向上部に設けることにより、前記収容部に収容された試料が開放路に流入するのを防止することができる。
また、本発明において、前記開放路内壁は疎水性とするのが好適である。前記開放路内壁を疎水性とすることにより、前記収容部に収容された試料が開放路に流入するのをさらに防止することができる。
そして前記排気部の基板面垂直方向の断面積は、前記収容部の基板面垂直方向の断面積より小とするのが好適である。
さらに、前記排気部は、前記収容部側に臨む開口部分の断面積を前記開放路側に臨む開口部分の断面積より大とするのが好適である。かかる構成とすることにより、より効率よく前記収容部の排気を行うことができる。
本願発明に係る基板は、その収容部においてポリメラーゼ連鎖反応を行うことができる。

本発明によれば、複数の収容部において試料を処理するにあたり、高精度に処理できる流路構造を提供することができる。

以下、本発明を実施するための好適な形態について図面を参照としながら説明する。なお、以下に説明する実施形態は、本発明の代表的な実施形態の一例を示したものであり、これにより本発明の範囲が狭く解釈されることはない。

図１は、本発明に係る基板の好適な実施形態の概念図である。図１中の符号１は、本発明に係る基板を示している。この基板１の大きさや形状等は、目的に応じて適宜設計することができる。

基板１は、試料導入部１１と、複数の収容部１２と、試料排出部１３と、を備えており、前記試料導入部１１と前記試料排出部１３とは、主流路１４を介して連通され、前記試料導入部１１と前記収容部１２とは、前記主流路１４と該主流路１４から分岐した複数の支流路１５とを介して連通されている。

前記収容部１２には、夫々に排気部１６が接続されており、複数の前記排気部１６は、一端が開放口１７に接続された一の開放路１８に連通されている。夫々の前記収容部１２に排気部１６が接続されることにより、前記試料導入部１１から前記収容部１２に試料が導入される際に、前記収容部１２中に存在する空気が前記排気部１６から排出され、前記収容部１２にスムーズに試料が充填される。また、複数の前記排気部１６を一の開放路１７に連通させることにより、前記収容部１２中の試料の蒸発を抑制することができる。特に、例えばＰＣＲのように、前記収容部１２において試料の加熱操作を伴う処理を行う場合には、試料の蒸発によって試料の量や濃度が変化し、反応や分析の精度が低下しやすい。しかしながら、複数の前記排気部１６を一の開放路１８に連通させることにより、試料の蒸発による損失を抑制し、高精度に反応や分析を行うことができる。

以下、本発明に係る基板１の各構成について、詳細に説明する。

本発明に係る基板１は、夫々の収容部１２に排気部１６が接続され、少なくとも二以上の前記収容部１２は、一端が開放された一の開放路１８に連通されることを特徴の一とする。

一端が開放された一の開放路１８に連通される排気部１６は、少なくとも二以上であれば特に限定されず、前記基板１に導入される試料の種類、試料に対して行われる処理等に応じて適宜設定することができる。図１に示す基板１は、７の排気部１６が、一端が開放された位置の開放路１８に連通されているが、使用目的等に応じて数を増減させることができるのは勿論である。一の開放路１８に連通される排気部１６の数が多いほど、前記収容部１２に収容された試料の蒸発を抑制することができる。

本発明に係る基板１に備えられた前記収容部１２の数は特に限定されず、適宜設計することができる。図１に示す基板１は、４２個の収容部１２を有するが、使用目的等に応じて数を増減させることができる。

前記収容部１２の大きさは特に限定されず、使用目的や導入する試料の種類に応じて適宜設計することができる。また、前記収容部１２の形状についても特に限定されず、図１に示す円形のみならず、楕円形や矩形に形成することができる。夫々の前記収容部１２は同一のサイズ及び形状とするのが好適である。

図２は、本発明に係る基板１の一の前記収容部１２をＸ−Ｘ’面で切断した断面図である。前記収容部１２には排気部１６が接続され、該排気部１６は開放路１８に連通されている。前記開放路１８の大きさ等は特に限定されず、連通された排気部１６の大きさや数に応じて適宜設計することができる。

また、開放路１８の位置は特に限定されないが、図２に示すように、開放路１８は、前記収容部１２より鉛直方向上部に設けられるのが好適である。前記開放路１８が前記収容部１２より鉛直方向上部に設けられることにより、前記収容部１２に試料が充填された際に、前記開放路１８に試料が流出するのを防ぐことができるため望ましい。

この場合、本願発明に係る基板１は、前記試料導入部１１と、前記収容部１２と、前記排気部１６と、が第一の基板層に設けられ、前記開放路１８が第一の基板層の上部に積層される第二の基板層に設けられ、前記第一の基板層の上部に前記第二の基板層を積層することにより形成されるものとすることができる（図３参照）。また、これらの基板層の上部及び／又は下部に、さらに基板層を積層することもできる。例えば、前記第二の基板層の上部に試料導入部１１と、試料排出部１３と、前記開放口１７と、が配設された第三の基板層を積層することができる。

各基板層の製造については、公知の手法によって製造することができる。例えば、流路形状等を有する金型を射出成型機にセットし、基板層への形状転写を行う手法等を採用できる。これにより射出成形された基板層には、金型に対応する流路構造等が形成される。

その他、例えば、金型にプラスチック基板を熱圧着させて形状転写を行うナノインプリント、金型にＵＶ硬化樹脂を塗布してＵＶ硬化により形状転写を行う方法、フォトリソグラフィーによりレジストで型を作製し、樹脂を圧着硬化させて形状転写を行う方法等が挙げられる。

また、各基板層の貼り合わせの手法は、従来の手法を適宜用いることができる。貼り合わせとしては、例えば、熱融着、接着剤、陽極接合、粘着シートを用いた接合、プラズマ活性化結合、超音波接合等を適宜用いることができる。基板の材質や形状や大きさ等を考慮して好適な貼り合わせ手法を選択することができる。

本発明に係る基板１の材質は、特に限定されず、用途に応じて適宜選択することができる。例えば、基板１内の試料に光学的処理を行う場合は、可視光域で透明で発光性の低いポリカーボネート、ポリオレフィン系ポリマー、ＰＤＭＳ、等のプラスチックやシリコンゴム、又は石英ガラス等のガラス材料等が好適に用いられる。

また、少なくとも前記開放路１８の内壁は疎水性とするのが好適である。前記開放路１８の内壁を疎水性とすることにより、前記収容部１２に収容された試料が、前記開放路１８に流出するのを防ぐことができる。

前記開放路１８の内壁を疎水性とする方法は特に限定されず、前記開放路１８の内壁を疎水性の物質でコーティングする方法等が挙げられる。また、図３に示すように、本発明に係る基板１が、前記試料導入部１１と、前記収容部１２と、前記排気部１６と、が第一の基板層に設けられ、前記開放路１８が第一の基板層の上部に積層される第二の基板層に設けられる場合には、前記第二の基板層を疎水性材料で形成することができる。この際の疎水性材料は特に限定されず、例えば、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリカーボネート、シクロオレフィン共重合体等のポリオレフィン等が挙げられる。

図４は、本発明に係る基板１の１の前記収容部１２をＹ−Ｙ’面で切断した断面図及び前記排気部１６をＺ−Ｚ’面で切断した断面図である。

本発明に係る基板１において、前記収容部１２の大きさ及び前記排気部１６の大きさは特に限定されないが、図４に示すように、前記排気部１６の基板面垂直方向の断面積は、前記収容部１２の基板面垂直方向の断面積より小であるのが好ましい。前記排気部１６の基板面垂直方向の断面積を、前記収容部１２の基板面垂直方向の断面積より小とすることにより、前記収容部１２に収容された試料が前記排気部１６を介して前記開放路１８に流入するのを防ぐことができるため望ましい。前記収容部１２及び前記排気部１６の大きさは特に限定されない。

また、前記収容部１２内の気体を効率的に排気するために、前記排気部１６を、前記収容部１２側に臨む開口部分の断面積が前記開放路１８側に臨む開口部分の断面積より大とするのが望ましい。前記排気部１６の前記収容部１２側に臨む開口部分の断面積を前記解放路側に臨む開口部分の断面積より大とすることにより、前記収容部１２内の気体を効率よく排気し、かつ、前記収容部１２内の試料が前記開放路１８に流出するのを防止することができるため望ましい。

この場合において、前記排気部１６の具体的形状は特に限定されず、例えば、図５に示すように、前記排気部１６の前記収容部１２側に接続される部分に、バッファー部１６１を設けることができる。バッファー部１６１は、前記排気部１６が前記開放路１８に臨む開口部分の断面積より大きな断面積を有する。バッファー部１６１を設けることにより、前記排気部１６が前記収容部１２に臨む開口部分の断面積が狭隘とならず、前記収容部１２内の気体を効率的に排気することができる。加えて、前記排気部１６は、前記バッファー部１６１との接続部分で開口部分の断面積が狭隘となるため、前記収容部１２に収容された試料がさらに前記開放路１８側に流出するのを抑制することができる。
また、図６に示すように、前記排気部１６は、テーパー状に形成することもできる。

本発明に係る基板１において、各種反応処理等や各種測定・検出・定量等の分析処理等の様々な処理を行うことができる。以下、本発明に係る基板１において行われる各種処理について説明する。

本発明に係る基板１に導入される試料の種類等は特に限定されず、例えば、核酸や各種抗体、試薬等の溶液であってもよいし、細胞やタンパク質やビーズ等の微小粒子の分散液であってもよい。例えば、本発明に係る基板１においてＰＣＲを行う場合には、増幅対象のＤＮＡ、ＤＮＡポリメラーゼ、プライマー、基質、蛍光色素等の溶液とすることができる。

例えば、前記収容部１２で各種反応処理等を行う場合、具体的処理は特に限定されないが、例えば、温度制御処理、圧力制御処理、攪拌処理等が挙げられる。

例えば、前記収容部１２で測定・検出・定量等の分析処理を行う場合、測定・検出・定量等する情報は特に限定されず、例えば、光学的物性、電気的物性等が挙げられる。

前記光学的物性の測定として、例えば、蛍光測定、散乱光測定、反射光測定、回折光測定、紫外分光測定、赤外分光測定、ラマン分光測定、ＦＲＥＴ測定、ＦＩＳＨ測定、その他各種スペクトラム測定等を用いることができる。例えば、蛍光測定を行う場合には蛍光色素を用いることができるし、励起波長が異なる蛍光色素を併用することにより、より検出精度を向上させること等もできる。

本発明で可能な電気的物性の測定としては、例えば、抵抗値、容量値（キャパシタンス値）、インダクタンス値、インピーダンス、電極間の電解の変化値等の測定を行うことができる。例えば前記収容部１２等に何らかの電気的測定素子を形成させ、そこに収容された試料の電気的な物性情報を得る。一例としては、対抗する電極を前記収容部１２等に配置し、そこで試料が処理されることで変化する電気抵抗や電気インピーダンス等を測定すること等が挙げられる。

本発明に係る基板１において行われる処理の一例として、ＰＣＲが挙げられる。以下、本発明に係る基板１においてＰＣＲを行う際の好適な実施形態について説明する。

本発明に係る基板１においてＰＣＲを行う際、基板１に導入される試料は特に限定されず、一般的なＰＣＲと同様、増幅対象のＤＮＡ、ＤＮＡポリメラーゼ、プライマー、基質、蛍光色素等の溶液を導入することができる。

まず、本発明に係る基板１に試料が導入される。試料導入部１１から導入された試料は、主流路１４内を搬送され、分岐した複数の支流路１５を介して複数の収容部１２に導入される。

この際、夫々の前記収容部１２に存在する空気は、夫々の前記収容部１２に接続された排気部１６から排出される。前記収容部１２に存在する空気が前記排気部１６から排気されることにより、前記収容部１２にスムーズに試料が充填される。夫々の前記収容部１２に収容される試料の量のばらつきが少なくなり、より高精度にＰＣＲを行うことができる。

夫々の前記収容部１２に収容された試料は、ＰＣＲに供せられる。具体的には、（１）約９４℃での核酸の熱変性、（２）約６０℃でのプライマーとのアニーリング、（３）約６０〜７２℃でのポリメラーゼ伸長反応、からなる温度制御の伴う核酸増幅サイクルを連続的に行う。

ＰＣＲでは、約６０℃から約９４℃と比較的高い温度での処理が行われるため、水等の試料が蒸発して気泡が発生しやすい。かかる気泡は、ＰＣＲの精度を劣化させるばかりでなく、収容部１２内の試料の検出を行う場合に、検出精度を劣化させる原因となる。本発明に係る基板１は、夫々の前記収容部１２に排気部１６が接続されているため、ＰＣＲ中に発生した気泡を効率よく排出し、ＰＣＲ及び試料の検出を高精度で行うことができる。さらに、少なくとも二以上の前記排気部１６は、一端が開放された一の開放路１８に連通されているため、ＰＣＲにおける試料の蒸発による損失を抑制することができる。

以下、実施例をあげて本発明を詳細に説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。

本発明に係る基板を製造し、試料を導入した。

製造した基板の平面図を図７に、側面視模式図を図８に夫々示す。本発明に係る基板１は、ガラス基板１９上にフォトレジストＳＵ−８を用いて流路パターンを形成し、ＰＤＭＳ主剤と硬化剤を混合させたものを塗布、圧着、硬化することにより、形状転写を行った。第一の基板層Ａ１と第二の基板層Ａ２を順次ガラス基板上１９に酸素プラズマ活性化処理を行うことで貼り合わせた。主流路１４、支流路１５及び収容部１２を第一の基板層Ａ１に設け、試料導入部１１、試料排出部１３、排気部１６、開放口１７及び開放路１８を第一の基板層の上部に積層された第二の基板層Ａ２に設けた。

基板の横方向長さＬ１が約３０ｍｍ、縦方向長さＷ１が約２０ｍｍである。試料導入部１１及び試料排出部１３の断面幅Ｗ１１，Ｗ１３は夫々約１０００μｍ、主流路１４及び支流路１５の断面幅Ｗ１４，Ｗ１５は夫々約１００μｍ及び約１２０μｍである。そして、各収容部１２の断面幅Ｗ１２は約５００μｍ、バッファー部１６１の断面幅Ｗ１６１は約１００μｍ、開放路１８に接続される排気部１６及び開放路１８の断面幅Ｗ１６，Ｗ１８は夫々約１０μｍである。

前記開放路１８に接続される排気部１６及び前記開放路１８を除き、深さｄはすべて約３００μｍであり、前記開放路１８に接続される排気部と前記開放路１８の深さは約１０μｍである。

上記の通り製造した基板１に、前記試料導入部１１から２００μＭのローダミンＢ（ＦＩＴＣ）水溶液を３μＬ／ｍｉｎでシリンジポンプで圧送し、これを顕微鏡で観察した。
その結果、ローダミンＢ（ＦＩＴＣ）水溶液は主流路１４から各支流路１５に送られ、各支流路１５に接続された４２個の収容部１２に充填された。各収容部１２に気泡は見られず、すべての収容部１２に気泡が残ることなく溶液が充填されたことを確認した。さらに、開放路１８への水溶液の流出は見られなかった。

本発明に係る基板１において、試料は各収容部１２にスムーズに充填されることを確認した。さらに、試料は排出部１６を超えて開放路１８に流出することなく前記収容部１２に充填されることを確認した。

本発明の基板の一の実施形態に係る平面図である。 本発明の基板の一例を示す一部拡大断面図である。 本発明の基板の他の一例を示す一部拡大断面図である。 本発明に係る基板の収容部及び排出部の一例を示す一部拡大平面図及び断面図である。 本発明に係る基板の排出部の一例を示す一部拡大平面図である。 本発明に係る基板の排出部の他の一例を示す一部拡大平面図である。 本発明の実施例に係る基板の平面図である。 本発明の実施例に係る基板の側面視模式図である。

符号の説明

１ 基板
１１ 試料導入部
１２ 収容部
１３ 試料排出部
１４ 主流路
１５ 支流路
１６ 排気部
１７ 開放口
１８ 開放路

Claims (7)

1. 試料を導入する試料導入部と、
   前記試料を収容する複数の収容部と、
   夫々の前記収容部に接続された複数の排気部と、
   を少なくとも備え、
   少なくとも二以上の前記排気部は、一端が開放された一の開放路に連通された基板。
2. 前記開放路は、前記収容部より鉛直方向上部に設けられた請求項１記載の基板。
3. 前記試料導入部と、前記収容部と、前記排気部と、は第一の基板層に設けられ、
   前記開放路は前記第一の基板の上部に積層される第二の基板層に設けられた請求項１記載の基板。
4. 前記開放路内壁が疎水性である請求項１記載の基板。
5. 前記排気部の基板面垂直方向の断面積は、前記収容部の基板面垂直方向の断面積より小である請求項１記載の基板。
6. 前記排気部は、前記収容部側に臨む開口部分の断面積が前記開放路側に臨む開口部分の断面積より大である請求項１記載の基板。
7. 前記収容部においてポリメラーゼ連鎖反応を行う請求項１記載の基板。